книги из ГПНТБ / Ипатов Е.А. Теория и тепловые расчеты корабельных паровых и газовых турбин учебник

ки резко уменьшаются, что приводит к выравниванию потока в кольцевых решетках. Благодаря увеличению конфузорности в ко­ сом срезе в профилированном по высоте канале происходит некото­ рое снижение потерь и в средних сечениях канала.

Рис. 1-55. Сравнение определения потерь по вы­ соте лопатки в решетке с прямолинейными об­ водами и с поднятием при оптимальной форме обвода верхнего торца

Преимущество, которое дает профилирование по высоте кана­ лов решеток малой высоты, можно объяснить, рассматривая гра­ фики распределения давлений по профилю.

Рис. 1-56. Распределение давления по профилю в решетке с профилированной и непрофилированной верхней стенкой

На рис. 1-56 показано полученное опытным путем в МЭИ рас­ пределение давлений по профилю в решетке с профилированной и непрофилированной верхней стенкой. Как можно видеть, при вве­ дении поджатая разности давлений между выпуклой и вогнутой

61

сторонами в наиболее криволинейной части канала снижаЮтсй почти в 2 раза, что уменьшает интенсивность вторичных течений. Кроме того, точка минимума давлений, в этом случае смещается к выходной кромке, а при этом протяженность диффузорного уча­ стка и градиенты давлений в нем уменьшаются. Это способствует уменьшению толщины пограничного слоя на выходной части вы­ пуклой стороны и снижению как концевых, так и профильных по­ терь.

Рис. 1-57. Зависимость потерь энергии от отно­ сительной высоты лопатки в решетке без под­ жатая и в решетке с поджатием

Как видно из рис. 1-57, преимущество решеток с поджатием уве­ личивается при уменьшении относительной высоты лопаток.

Оптимальная степень поджатия, характеризуемая вели­

Ввиду того, что при отклонении от оптимальной меридиональ­ ной формы периферийной стенки канала (при очень резком поджатии или при слишком пологой форме) эффект от. применения поджатия будет значительно меньшим, выбор меридиональной формы торцевой стенки должен осуществляться экспериментально.

Следует отметить, что эта задача может быть решена и теоре­ тически на основании расчета потенциального потока в канале [18].

62

Однако полученный теоретическим путем меридиональный профиль канала также нуждается в экспериментальной проверке.

§ 8. ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ОБЛОПАЧИВАНИЯ ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ

Эффективность работы облопачивания турбинной ступени зави­ сит не только от качества отдельной решетки, но и от конструкции ступени, которая определяет величину и характер зазоров между решетками (осевых зазоров), расположение решеток относительно друг друга в меридиональной плоскости (перекрыши), величину радиальных зазоров между концами лопаток и корпусом турбины, наличие или отсутствие уплотнений зазоров, наличие или отсутст­ вие разгрузочных отверстий в дисках.

Перечисленные конструктивные факторы вызывают ряд явле­ ний, характер которых не может быть выявлен при испытаниях от­ дельных профильных решеток.

Рассмотрим влияние перечисленных конструктивных факторов на процесс обтекания лопаток в турбинной ступени.

Влияние осевого зазора особенно значительно в ступенях, кото­ рые принято называть активными, то есть в ступенях турбины, имеющей дисковый ротор и направляющие лопатки, закрепленные в диафрагмах или в специальных обоймах.

Как видно из рис. 1-59, суммарный осевой зазор 8а, то есть расстояние между выходными кромками направляющих лопаток и входными кромками рабочих лопаток, состоит из зазора бо (80п— на периферии и 80к у корня) и зазоров 53i и §3а.

В пределах последних поток на поперечных краях ограничен твердыми стенками, поэтому такие зазоры называют закрытыми осевыми зазорами.

В зазоре бо на поперечных границах поток соприкасается с ра­ бочим телом, неподвижным или имеющим другую по величине и направлению скорость, чем основной поток. Поэтому этот зазор называют открытым осевым зазором.

Наиболее существенное влияние на к. п. д. ступени оказывает величина открытого осевого зазора. Это влияние, как показывают многочисленные опыты ЦКТИ, МЭИ, БИТМ, НЗЛ и др., имеет место, главным образом, из-за возникновения при определенных условиях следующих явлений, вызывающих потери энергии:

а) утечка (отсос) части рабочего тела от основного потока че­ рез открытый зазор у бандажа и у корня лопатки;

б) подсос рабочего тела к основному потоку через зазор у кор­ ня из передней камеры ступени (камера А на рис. 1-59).

63

Утечка через зазор между обоймой направляющего аппарата (или диафрагмой) и бандажом рабочих лопаток может оказывать значительное влияние на эффективность работы турбинной сту­ пени. В результате увеличения реактивности от корня лопатки к вершине (см. § 5 гл. II) у периферии рабочего колеса в осевом за­ зоре 80п создается повышенное давление, под влиянием которого

утечка составляет ощутимую величину. В результате утечки умень­ шается количество рабочего тела, проходящего через лопатки, а также понижается степень реактивности как на периферии, так и

где D — средний диаметр облопачивания, м; /н — высота сопла, м;

щ— угол выхода потока из направляющих лопаток на сред­ нем диаметре;

К. п. д. ступени с учетом утечек будет равен т)и==т]Цшах — Дт)^.

64

Уменьшение средней реактивности ступени под влиянием уте­ чек, согласно опытам БИТМ, составит

При этом разность степеней ре­ активностей у периферии и у корня лопатки Др = рп — рк изменйтся по сравнению с соответствующей теоре­ тической величиной Apt, получаемой по расчетным формулам (см. §5 гл. II), примерно в два раза, то есть

ное уплотнение в данном случае, как и на рис. 1-59, имеет две щели.

66

Как видно из рис. 1-62, эффект от применения радиального уп­ лотнения возрастает с увеличением зазора 80п и отношения ско­

ростей — .Повышение роли уплотнения с увеличением — связано

Со

шится, в то время как в ступени с радиальным уплотнением прак­ тически остается постоянной, что говорит о том, что и степень реак­ тивности в ступени при наличии радиального уплотнения не пре­ терпевает заметных изменений под влиянием открытого осевого

Рис. 1-63. Зависимость к. п. д. ступени от ве­ личины открытого зазора 30п в ступенях с различным уплотнением радиального зазора над бандажом:

-------- по опытам Б И Т М ,------- расчетные кривые

Эффективность радиального уплотнения зависит от числа щелей в уплотнении.

На рис. 1-63 и 1-64 сплошными линиями показана полученная в опытах БИТМ и ЦКТИ [39] [67] зависимость к. п. д. ступени от ве­ личины зазора 80п при отсутствии и наличии радиального уплотне­

ния с двумя и пятью щелями.

Из этих рисунков следует, что при радиальном уплотнении с пятью щелями (кривые III) к. п. д. ступени практически не зависит

67

От величины осевого зазора 80п. При более простой конструкции

уплотнения, имеющей только две щели (кривые II), также заметно влияние величины осевого зазора у бандажа на к. п.д. ступени, но

= 1 —Дт|и при двухщелевом уплотнении, по сравнению со случаем отсутствия уплотнений, в опытах ЦКТИ получено большее, чем в опытах БИТМ.

Среднее изменение С0п в случае двухщелевого уплотнения

между значениями, полученными в ЦКТИ и БИТМ, будет давать формула (1-6), если в нее при наличии уплотнения вместо величи­ ны 80п подставлять условную величину зазора, равную

где оГуп— радиальный зазор в уплотнении; z — число щелей в уплотнении.

На рис. 1-63 и 1-64 пунктирными линиями показано влияние за­ зора 30пна к. п. д. ступени, полученное расчетом по формулам (1-6)

и (1-9). При этом коэффициент в формуле (1-6) принимался рав­ ным 1,7. При практических расчетах достаточную точность обес­ печивает выражение

8Оп

V z •

68

Явления отсоса или подсоса через открытый осевой зазор у кор­ ня лопаток 80к определяются рядом факторов, главными из кото­

рых являются величина протечки через диафрагменное уплотне­ ние,степень реактивности в корневых сечениях рабочих лопаток и площадь разгрузочных отверстий. При отсутствии в дисках раз­ грузочных отверстий, как показано в схеме ступени на рис. 1-65,а, при любой степени реактивности у корня лопаток все количество рабочего тела, поступающее через уплотнение диафрагмы, будет подсасываться в основной поток в проточной части ступени.

Исключение составляют первые ступени турбин, в которых че­ рез открытый осевой зазор у корня будет отсасываться рабочее тело в количестве, соответствующем утечкам через наружные уп­ лотнения (см. рис. 1-65,6). В случае наличия в диске разгрузочных отверстий количество подсасываемого или отсасываемого рабочего тела в значительной степени определяется площадью этих отвер­ стий.

Рис. 1-66. Схема движения рабочего тела в пе­ редней камере колеса при положительной реак­ тивности у корня лопаток и при различных раз­ мерах разгрузочных отверстий

При положительной степени реактивности в корневом сечении размеры разгрузочных отверстий могут быть выбраны такими, что все количество рабочего тела, протекающее через уплотнения диа­ фрагмы, будет уходить через разгрузочные отверстия и течение (подсос или отсос) через открытый осевой зазор у корня лопаток практически будет отсутствовать (рис. 1-66,а).

Если затем в данной ступени уменьшить площадь разгрузоч­ ных отверстий, то часть протечек через уплотнение диафрагмы бу­ дет уходить в разгрузочные отверстия, а другая часть — подсасы­ ваться через зазор 8 в проточную часть ступени (рис. 1-66,6).

Если же не уменьшить, а увеличить площадь разгрузочных от­ верстий, то через эти отверстия будет протекать рабочего тела больше, чем через уплотнение диафрагмы на .величину отсоса че­

69

рез зазор 80к (рис. 1-66,б), то есть во всех рассмотренных случаях при работе ступени соблюдается равенство

где Оу.л — протечка через уплотнение диафрагмы; G0K— протечка через зазор 80к;

знак «+ » соответствует явлению отсоса и знак «—» соответствует явлению подсоса;

G0тв — расход через разгрузочные отверстия.

при наличии их происходит подсос из

в корневых сечениях лопаток разгру­ зочные отверстия играют отрицательную роль, так как при этом давление в пе­ редней камере диска становится меньше давления за диском и возникает течение в отверстии, направленное навстречу основному потоку в ступени, увеличи­ вающее количество рабочего тела, под­ сасываемое из передней камеры диска в проточную часть ступени (рис. 1-67).

В этом случае, очевидно, имеет ме­ сто равенство

GoK= Оул “Н G0XB.

Таким образом, в зависимости от того, как спроектирована турбинная ступень, у корня лопаток может быть

или подсос или отсос рабочего тела и лишь в частном случае протечки через открытый корневой зазор будут отсутствовать.

Подсос из передней камеры диска в проточную часть ступени увеличивает количество рабочего тела, протекающего через рабо­ чие лопатки по сравнению с направляющими.

Попадая в проточную часть, подсасываемый газ смешивается с основным потоком, который затрачивает часть своей кинетической

.энергии на изменение направления движения подсасываемого газа и сообщение скорости ему. Кроме того, в результате подсоса про­ исходит деформация потока в ступени, приводящая к снижению эффективности процесса обтекания рабочих лопаток и к уменьше­ нию работы, производимой ступенью.

70